中央水泵房系统的毕业设计.doc

毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计姓 名： 学 号： XXX工业职业技术学院 2011 年 12 月 9 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 梁占营 专业 电气自动化（PLC技术应用方向） 任 务 下 达 日 期 2011 年 9 月 19 日设计（论文）开始日期 2011 年 9 月 26 日设计（论文）完成日期 2011 年 12 月 9 日设计（论文）题目： 平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 曹留柱 系（部）主 任 郭宗跃 2011 年 12 月 9日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 自动化与信息工程 系电气自动化（PLC技术应用方向）专业，学生梁占营 于 2011 年 12 月 15 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计 专题（论文）题目： 平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计 指导老师： 曹留柱 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 梁占营 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 梁占营 专业电气自动化（PLC技术应用方向） 年级 2009 毕业设计（论文）题目： 平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计 评 阅 人： 指导教师： 曹留柱 （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 目录目录1摘要1第1章 首山一矿的概述2第2章中央泵房自动化系统32.1水泵等部件的基本情况32.2井下中央水泵控制系统基本要求42.3系统结构42.3.1离心泵基本构造42.3.2离心泵的分类62.3.3离心泵的工作原理62.4系统组成62.5模拟量检测部分（传感器）：82.5.1模拟量扩展模块接线图及模块设置82.5.2模拟量扩展模块的寻址132.5.3模拟量值和A/D转换值的转换132.6开关量检测部分142.7执行部分14第3章 井下中央水泵控制系统设计163.1系统运行方式163.1.1远程控制方式163.1.2就地集中控制方式163.1.3自动控制163.1.4系统集控193.2系统工作原理193.2.1单台水泵自动启停的实现193.2.2运行参数的检测193.2.3自动控制的要求20第4章 S7-300PLC的基本组成224.1 中央处理单元CPU224.2输入/输出部件234.3存储器244.4外部设备254.4.1人机接口254.4.2外存储器254.4.3 EPROM写入器254.5电源部件26第5章 系统设计275.1单台水泵控制系统设计275.1.1流程图275.1.2程序设计285.1.2程序设计285.1.3子程序调用305.1.4硬件图325.1.6主控制图33附录34总结35致谢36参考文献37 2 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 摘要综合自动化系统是应用现代电子技术和自动化技术对矿井生产过程实现全面监控的系统，把采掘生产设备监控系统、皮带运输监控系统、辅助生产设备监控系统等子系统数据进行集中监控，实现生产及辅助生产各运行参数的统计并上传至矿区办公局域网，这样使得煤矿生产和管理更加科学高效。集成当今先进的计算机信息化、自动化和监测监控等技术，针对煤矿高危险、恶劣环境的特点，通过系统优化和创新，开发煤矿综合自动化技术，在现场控制为主的局部控制系统基础上，实现以地面集中操作、分布控制为主的全过程控制。即通过生产现场的设备层、控制层与信息层的集成，实现控制与管理的数据通讯与共享；通过开发基于中间件技术的控制软件，将对生产过程的控制、监测能力随网络的扩展而自然延伸，直至实现通过互联网络进行的异地远程监测与维护。综合自动化系统覆盖了全矿的生产过程，使用WEB浏览功能或安装客户端软件可以使上级主管部门及时了解安全生产情况，进行远程实时监察，及时处理生产过程中的不安全因素生产过程。关键词：计算机、自动化、信息化、网络第1章 首山一矿的概述首山一矿井田位于平顶山市东北，距平顶山市约25km，行政区隶属襄城县管辖。井田位于丘陵平原的过度部位。井田内可采及局部可采煤层5层，可采储量308.49Mt，主采戊9-10及己16-17(含己15)煤层为中厚及厚煤层，厚度稳定，结构简单，具备了建设现代化大型高产高效矿井的资源条件。矿井正常涌水量405.34m3/h；最大涌水量486.41m3/h。地质报告初步预测己及戊煤层为有瓦斯突出危险煤层，己煤层底板埋深多在730m以下，钻孔实测岩温39.7050.57，全部处在二级高温区，戊煤层底板埋深多在550m以下，钻孔实测岩温32.6242.99，大部处在二级高温区，少部处在一级高温区。采煤方法以走向长壁综采一次采全高采煤法为主。矿区煤炭生产计划目标是到原煤产量达22.00Mt/a，其中己组煤产量10.76Mt/a。设计矿井年工作日300d,每天4班作业,每天净提升14h。首山一矿在设计时对矿井安全生产综合自动化（简称综合自动化）方面考虑较少，因此在矿井建设过程中对综合自动化系统建设缺乏总体的规划，对综合自动化涉及的范围、目标定位、综合自动化的所起的作用、工程实施等方面都没有详细的规划。本规划将从明确综合自动化系统概念开始，对综合系统化的必要性、可行性、适用性、实效性等方面进行研究，并针对首山一矿的具体特点，规划综合自动化将要达到的目标、具备的性能、包括的内容、工程实施的方案等方面进行有针对性的研究，以期指导首山一矿建设安全生产综合自动化的工作。第2章 中央泵房自动化系统2.1水泵等部件的基本情况首山一矿设计有两个泵房，一为中央泵房，另一个为采区泵房，目前已经建设的为中央泵房。中央泵房有5台排水泵组成，采用降压启动方式，目前大部分关键阀门为电动控制，但没有形成自动化控制，基本情况如下：设备名称基本情况数量说明水泵YB710M2.4，电机10KV，功率1400KW，南阳防爆电机厂5电抗器降压启动阀门电动/手动两用阀门。电机功率1.5KW，电压660V。常州兰陵阀门5管路阀门同上5高压供电无锡军工隔爆型，电压10KV，有综保，综保为安华顺城产品，具备通讯和四遥功能，型号SDZB-L65低压供电低压供电为660V，浙江恒泰的产品，综保也为恒泰产品，具备通讯和四遥功能，型号为ZBK-36。5抽真空系统采用水射流和空气射流两种模式，可通过4组阀门进行切换，阀门非电动，型号为DN501004阀门需改造压力传感器目前的压力传感器为普通仪表10需更换压力变送器液位传感器无液位传感器流量计无流量计温度传感器目前电机前后轴和定子有PT，其信号已接入南阳产隔爆型温度仪，水泵前后轴无温度仪5需采用具有通讯能力的温度传感器振动传感器无振动传感器目前无防爆产水仓闸门采用两组电动阀门实现2其他阀门抽真空阀门有10个需改造为电动，号为DN25-100；另外管网还有2个阀门需改造为电动，型号为DN200-100目前无防爆产水仓闸门采用两组电动阀门实现22.2井下中央水泵控制系统基本要求中央泵房自动化系统的总体设计思路是实现排水系统的自动调度，能根据水仓的水位等参数自动调配水泵，同时完成水泵状态的监测和监控，并能实现水泵的峰谷运行策略，到达无人值守、节能降耗的效果。根据首山水泵的实际情况，设计的内容包括：为每台水泵的出水和管网阀门增加一控制箱，实现阀门的电动运行为每台水泵增加一就地控制箱，采用远程I/O，实现压力、温度、流量等的采集，并实现水泵启停、电动阀门开闭等操作，同时具备手动操作按钮。增加一套集控PLC系统，采集液位、高低压控制及各就地控制箱的信息，实现排水系统的自动调度，实现各类自动操作和保护，同时具备远程监控功能。改造部分阀门，包括四个放水阀、10个射流阀、2个管网阀门增加部分传感器，包括液位计、流量计、真空压力变送器、水压变送器、温度传感及变送器等。增加两套防水门的液压控制系统2.3系统结构2.3.1离心泵基本构造离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。如下图所示： 2.3-1水泵结构示意图 1）叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验。叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。2）泵体也称泵壳，它是水泵的主体。起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。3）泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。4）轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。滚动轴承使用牛油作为润滑剂加油要适当一般为2/33/4的体积太多会发热，太少又有响声并发热！滑动轴承离心泵结构使用的是透明油作润滑剂的,加油到油位线。太多油要沿泵轴渗出并且漂，太少轴承又要过热烧坏造成事故！在水泵运行过程中轴承的温度最高在85度一般运行在60度左右，如果高了就要查找原因（是否有杂质，油质是否发黑，是否进水）并及时处理！5）密封环又称减漏环。叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低！间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。为了增加回流阻力减少内漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳内缘和叶轮外援结合处装有密封环，密封的间隙保持在0.251.10mm之间为宜。6） 填料函主要由填料，水封环，填料筒，填料压盖，水封管组成。填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流不流到外面来也不让外面的空气进入到泵内。始终保持水泵内的真空！当泵轴与填料摩擦产生热量就要靠水封管住水到水封圈内使填料冷却！保持水泵的正常运行。所以在水泵的运行巡回检查过程中对填料函的检查是特别要注意！在运行600个小时左右就要对填料进行更换。2.3.2离心泵的分类1）按工作叶轮数目来分类单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。多级泵：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。2）按工作压力来分类低压泵：压力低于100米水柱； 中压泵：压力在100650米水柱之间；高压泵：压力高于650米水柱。3）按泵轴位置来分类卧式泵：泵轴位于水平位置。立式泵：泵轴位于垂直位置。4）按叶轮出来的水引向压出室的方式分类蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进入下一级或流入出口管。平时我们说某台水泵属于多级泵，是指叶轮多少来讲的。根据其它结构特征，它又有可能是卧式泵、高压泵等2.3.3离心泵的工作原理在离心泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。2.4系统组成1.人职守控制系统由底层的PLC、执行机构、检测机构；上层的网络服务器以及客户端组成。PLC是通过工业以态网和西门子公司的OPC软件与网络服务器连接的，网络服务器和客户端是由工业以态网连接的。具体的结构如图：2.4-1系统组成结构图2.网络设计 统底层的PLC带有工业以态网模块，在以态网模块和网络服务器之间有光电转换器，光电转换器将PLC发出的电信号转换成光信号在光缆中传输。网络服务器1和2互为热备用，即在任一服务器出现故障时，系统能够正常运行，能够保证不影响生产。由于无人职守系统不只有水泵控制系统，还有包括主扇风机等一些控制系统，所有在网络服务器和客户端之间加DLINK HUB，用来扩展网络接口。客户端能够实时地监测水泵的运行参数以及控制水泵的起停。3. PLC终端PLC是该系统的终端核心，本系统采用S7-300PLC。3.1 终端硬件配置 该系统的PLC硬件是1个主站和5和从站构成的PROFIBUS-DP网络，主站包括电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、A/D模块、通讯模块和工业以态网模块。其组态结构如图2。 采用上述的PROFIBUS-DP网络集散控制可以避免繁琐的硬件电路连接，即可以节省成本有可以节省人力资源，而且还提高了系统的可靠性，精确性。3.2软件设计PLC软件配置有系统程序和用户程序。系统程序配置在CPU模块里，出厂时就已经集成在硬件里，无需用户自己编写。用户程序是在用户在编程器里编写好之后下载到PLC的存储模块，程序采用块式结构形式。以下是该系统部分用户程序。2.5模拟量检测部分（传感器）：1)仓水位传感变送器2)量传感变送器3)力传感变送器4)空度传感变送器5)量传感变送器6)度传感变送器2.5-1检测部分组成图说名：以上所用的各种传感变送器输出的信号均为标准信号。如上图所示：2.5.1模拟量扩展模块接线图及模块设置EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图2.5-2图2.5-2图1演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。EM235的常用技术参数如下表2.5-3模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位表2.5-3下表说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。EM235开关 单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON单极性OFF 双极性OFF OFF X1OFF ONX10 ONOFF X100ONON无效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2表2.5-4由表2.5-4可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时， 模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如下表2.5-5表2.5-5单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA 5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V 2.5mV 双极性满量程输入分辨率SW1 SW2SW3SW4SW5SW6ONOFF OFF ONOFF OFF 25mV 12.5V OFF ONOFF ONOFF OFF 50mV 25VOFF OFF ONONOFF OFF 100mV 50V ONOFF OFF OFF ONOFF 250mV 125VOFF ONOFF OFF ONOFF 500 250VOFF OFF ONOFF ONOFF 1V 500V ONOFF OFF OFF OFF OFF 2.5V 1.25mV OFF ONOFF OFF OFF OFF 5V 2.5mV OFF OFF ONOFF OFF OFF 10V 5mV 6个DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。1. 输入校准模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下：1）切断模块电源，选择需要的输入范围。2）接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。3）调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。4）将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。5）调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。6）必要时，重复偏置和增益校准过程。2. EM235输入数据字格式下表2.5-6给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置表2.5-6可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。最高有效位是符号位，0表示正值。在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变化1个单位，数据字则以8个单位变化。在双极性格式中，4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位，数据字则以16为单位变化。3. EM235输出数据字格式图表2.5-7给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置： 表2.5-7数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。2.5.2模拟量扩展模块的寻址每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。例如：AIW0，AIW2，AIW4、AQW0，AQW2。每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。表2.5-8演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块，一个8输入数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块，一个8输出数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况，其中，灰色通道不能使用。表2.5-82.5.3模拟量值和A/D转换值的转换假设模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D转换后数值为D0Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系Af（D）可以表示为数学方程：A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0。根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系Df（A）可以表示为数学方程：D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0。具体举一个实例，以S7-200和420mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是640032000，即A04，Am20，D06400，Dm32000，代入公式，得出：A（D6400）（204）（320006400）4假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电信号是6400162560048mA。又如，某温度传感器，1060与420mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=70（AIW06400）2560010可以用T 直接显示温度值。模拟量值和A/D转换值的转换理解起来比较困难，该段多读几遍，结合所举例子，就会理解。为了让您方便地理解，我们再举一个例子：某压力变送器，当压力达到满量程5MPa时，压力变送器的输出电流是20mA，AIW0的数值是32000。可见，每毫安对应的A/D值为32000/20，测得当压力为0.1MPa时，压力变送器的电流应为4mA，A/D值为（32000/20）46400。由此得出，AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为：VW0的值(AIW0的值6400)(5000100)/(320006400)100（单位：KPa）2.6开关量检测部分将高压启动柜中的真空断路器状态、电抗柜中的真空接触状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态等开关量信号接入PLC控制系统中，可检测系统运行状态。2.7执行部分（1）执行部分包括排水阀、配水阀、电磁阀、真空设备等。（2）PLC就地控制柜由S7-300PLC系统构成，完成水泵自动开/停所需的模拟量及状态信号检测并发出控制命令，控制各个相应阀门及电机动作。就地控制柜安装在泵房内对应的水泵附近，就地控制柜通过网络电缆与PLC排水集中控制柜相连，参与集中控制，构成一个完整的排水自动控制系统。（3）PLC集中控制柜：集中控制柜由S7-300PLC系统构成，将多台就地控制柜通过MPI网络连成一个整体，实现各水泵的联机控制。触摸屏上以图形方式显示水泵系统的运行参数并提供触摸式按键操作。地面集控系统与集中控制柜通过光纤以太网相连，实现水泵系统的遥测、遥控，集中控制柜安装于井下变电所内。（4）地面远程控制终端：采用高性能工控计算机，控制软件采用国际领先的工控组态软件编制，可实时监视水泵系统的运行参数，并可远程控制水泵系统的启停。系统运行方式水泵系统工作原理开泵工作过程：单台水泵自动启动的过程为: 单台机组启动首先要对真空度进行检测，启动抽真空系统（开启球阀），如果真空度达到要求（即达到-21Ka），将高压开关合闸，启泵（同时串入电抗器，达到额定转速切除）电机正常运转后，再检测水泵出水口处的压力，如果压力达到水泵的额定压力（6.4Mpa），即可以打开电动闸阀。关泵工作过程：关闭单台水泵工作顺序为：首先关闭电动闸阀，等其关到位之后再将高压开关柜分闸即停止水泵。若没有关闭电动闸阀就将高压开关柜分闸，则会发生水锤现象，严重的会将管路中的逆止阀打坏，造成严重后果。中央泵房单台水泵系统基本示意如图图2.7-1第3章 井下中央水泵控制系统设计3.1系统运行方式水泵系统运行分为三种方式控制：就地控制方式、半自动运行方式、自动运行方式。运行方式显示在水泵操作界面的左上角。就地运行方式为水泵检修状态，此时调度中心只有监测功能；自动运行方式为水泵全自动运行方式，不需要人进行参与水泵的控制运行，水泵系统按照预定的程序进行启动停止，此时调度中心只有监测功能；半自动运行需要人参与系统运行，可以分别启动单台水泵的起停.3.1.1远程控制方式 远程控制可以根据工况设定，以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转，对运行中的各种参数进行实时监控。通过接口向上传送数据，对全矿井涌水量进行监测，根据全矿井供电负荷调整要求，按预定的工作程序进行定期排水，实现矿井排水优化控制。并根据水仓水位情况自动控制排水泵的开停。3.1.2就地集中控制方式此种方式下,操作人员可在PLC控制柜触摸屛上实现一键开泵,程序自动执行启泵的全过程,可大大减轻工人的劳动强度,提高操作的可靠性。就地手动控制各设备工作方式打到就地位置时，可直接在开关柜上人工手动控制。此方式主要用于设备检修时。3.1.3自动控制1)半自动控制在半自动方式下调度人员可登陆通过点击系统红色启动按钮，其余方式下该按钮不会出现。3.1-1系统启动过程中信息显示说明图该按钮是系统启动按钮，当该按钮可用时，点击该按钮可实现水泵半自动远程控制启停，在点击启动或停止按钮时都会弹出一个确认窗口，这个窗口可对前一动作进行确认或是取消，当操作命令下发成功后则会根据返回信息弹出一个提示操作成功的框口，若是命令下发失败后则会弹出一个提示操作失败的窗口水泵也不会启动。3.1-2统启动过程中信息显示说明点击确定后系统进入启动过程，首先抽真空启动，通过相应的阀门状态可以看出运行情况(注：阀门开到位：红色；阀门关到位：绿色；阀门开启过程中：黄色)，此时真空度逐渐变大，当达到一定值时，启动水泵高压开关。当主排水泵开关合上后，电机启动，然后短路电抗器合闸，此时水泵上可显示旋转的，当出现该图形并且转动表示水泵合闸成功。水泵合闸成功后则主管道压力开始增加，流量计显示数值也逐渐增大，当压力达到一定值打开主排水管电动阀门。此时流量值继续增大，当流量值超过50立方米/小时，主排水管上显示水流信息，水泵正常启动。系统停止时，点击系统停止按钮，若弹出提示操作成功的窗口则主排水泵开关打开，电机断电，然后短路电抗器分闸，此时水泵上旋转的停止显示，表示分闸成功。水泵分闸成功后，主排水管压力降低，流量减小，当流量小于50立方米/小时，系统水流显示信息关闭，表示系统停止成功。若弹出操作失败的窗口则操作失败，需在操作箱上打到就地方式人工手动停止。2)全自动控制水泵就地控制箱上按钮旋至全自动，则对应水泵处于全自动状态，水泵将按照排水用时测算以及用电峰谷时段的划分等条件自动启动/停止水泵。全自动控制主要由平时处理和谷时处理两个部分组成。在平时当水位超过上限时启动水泵，谷时的时候判断水仓里的蓄水需要多久能够抽完，并将该时间与谷时结束前所剩时间进行比较，满足要求则启动水泵，确保在谷时结束时将水位抽到最低，谷时结束后进行蓄水。启动水泵时根据涌水速率确定启动水泵台数，根据水泵的累计运行时间确定优先启动哪台水泵。当运行中水泵出现故障时，启动下一台水泵。3)故障保护水泵启动/运行/停止过程中出现故障时，能够实现水泵的自动停止，同时给出报警信息，提示故障类型，为现场维护提供依据。保护流程可参考监控原理部分给出的流程图。水泵启动后即激活故障保护模块，按照类型不同可分为抽真空超时、合闸超时、压力偏低、电流偏低、电流偏高、闸阀开超时、效率偏低、闸阀关超时、分闸超时、超温保护（包括电机前/后轴温、电机定子温度、水泵前/后轴温）十类。系统报错后自动停止故障泵，运行状态跳转至故障状态，同时给出报警提示。此时系统自动将故障泵锁定，全自动情况下退出全自动启动选择备选机组，半自动操作无法启动，需在就地排查故障后，将水泵复位后，方可重新投入使用。故障复位：故障排除后，需将故障泵复位后才能重新投入使用，点击操作界面上按钮，跳出复位确认对话框，点击按钮，完成故障复位，对应水泵机组重新投入使用。3.1.4系统集控今后采区泵房也进行类似自动化改造后，通过决策控制中心的智能闭锁实现两个水泵房的联合控制，协调控制排水过程，最终实现主排水系统的最优控制。3.2系统工作原理系统通过检测水仓水位和其它参数,并依据所建立的数学模型,实现“避峰用谷”,合理调度水泵运行。系统自动化的实现是建立在单台水泵自动启停之上。3.2.1单台水泵自动启停的实现单台水泵自动启动的过程为:启动抽真空系统、检测真空度、启泵、检测水泵出水口压力、打开水泵出水口电动阀。1启动抽真空系统为保证离心排水泵能够正常启动,须先向水泵及其吸水管内充水,目前,一般采用抽真空吸水的方式实现。这种方式通常由两套抽真空系统组成,一为射流泵系统、二为电动真空泵系统,两者由管路并联使用,通过阀门可相互切换。2真空度的检测抽真空系统在工作时,可使水泵和吸水管腔内形成一定的真空度,真空度的高低与其腔内的水位有着严格的对应关系,真空度愈高,则水位愈高。通过检测水泵及吸水管的真空度可得知其充满水否。3启动水泵矿井排水泵采用10KV大功率电机,其降压启动由启动柜和电抗器柜自动完成。自动控制时,只需将控制信号接入启动柜并将状态信号返回控制系统即可。4检测出水口压力通过检测设置于水泵出水口处压力表压力,可判断水泵正常启动与运行否。如采用模拟量压力表,可提高系统的可靠性,并可连续检测压力随电动阀打开时的变化情况,为水泵效率及工况的测量提供条件。5打开出水闸阀当水泵启动完成后再打开出水口闸阀，可使水泵电机启动电流小、启动时间短。3.2.2运行参数的检测通过传感器和变送器,可检测水泵排水流量、轴温、转速、电机温度、电流、功率等水泵与电机的工作参数,以监测水泵机组的运行状况,并适时对其进行调节。3.2.3自动控制的要求1、井下中央泵房自动控制系统实现功能如下：2、根据水仓水位等情况自动控制排水泵启停。3、控制各泵轮流工作,使每台磨损程度均等。4、根据水仓水位、供电峰谷段时间划分等情况,合理调度水泵运行,节省运行费用。5、检测水泵及其电机的工作参数。如:水泵流量、压力、轴温、电机温度、电机功率与工作电流等。6、具有参数越限报警、故障报警以及自动保护等功能。7、监控中心上位机通过通信线路监测参数和实施控制。8、系统具有就地控制、半自动的集中控制和远方控制、全自动控制三种方式的选择。9、具有防水密闭门的自动关闭和自动控制功能。泵房内的吸水小井与水仓相连,通过在吸水井设置水位传感器,控制系统据此和其它参数合理调度水泵。由于水位参数直接控制水泵的动作，对水位的检测采用模拟和数字冗余检测，传感器之间互为监视、互为备用。水泵的合理调度应包括如下几个方面；1）根据水仓水位启动或停止水泵；2)根据矿井的涌水量控制水泵运行的台数；3）控制各台水泵轮流工作,使其磨损程度均等；机组均匀磨损：由于水泵机组一般有5台，为了防止因备用泵或者管路长期不用而使电机受潮或者其他故障而未被发现，当紧急情况需要投入而不能投入以至影响矿井安全，本自动控制系统按“轮换工作制”来设计，以达到有故障早发现，、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。该部分程序是以每台机组的累计运行时间作为判断依据、每台机组的累计运行时间是机组停止时刻时间值减去机组投入时刻时间数值，分别为T1-T5，将5台机组的累计运行时间进行比较，数值最小者投入当次运行，依次循环下去。当某台水泵或其所属阀门故障或检修时，系统发出警报，同时该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行，以达到均匀磨损的目的。4）应尽量安排水泵在供电部门所规定的谷段和平段时间运行，避免峰段，即“避峰添谷”。如今全国大部分地区已经实行电价分段收费，峰段与谷段的差价是相当大的，所以针对水泵机组是郝能大户这一事实，实施电价避峰填谷是非常有意义的，可以节省大量的成本。电价避峰填谷原理为：首先设定4个水位限值H1-H4，当水位达到报警水位时，首先对电网的负荷进行监测，若处于用电谷段或者平段时，可以立即启动，若处于用电峰段，则暂缓启动。当水位继续上升至超限水位时，则不论电网负荷若何，必须立即启动水泵。若水位继续上升至极限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，必须启动第2台水泵，用2台水泵一起排水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。不论投入几台水泵，水位必须下降至低限水位方可停泵。系统采用德国SIEMENS的可编程控制器（带触摸屏）作为水泵主控制器，地面控制中心采用研华工业控制计算机作上位机，系统具有现场可编程、输入/输出点数可扩展、显示操作简便等特点，除能完成水泵的单机控制外，可通过以太网接口与全矿综合自动化网络连接,由井上控制中心监控所有被控设备.第4章 S7-300PLC的基本组成本系统选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统。S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展。它的系统构成如图4-1所示：其主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM),信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它可以通过MPI连接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。除此之外，它自带的STEP7编程软件功能强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷。图4-1 S7-300PLC系统构成框图4.1 中央处理单元CPU同一般的微处理器一样，中央处理单元是PLC的主要部分，是系统的核心。它通过输入装置读入外设的状态，由用户程序去处理，并根据结果通过输出装置去控制外设。一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统。一个为字处理器，多为8位或16位微处理器。另一个是位处理器，也称为布尔处理器，是一些厂家设计制造的专用芯片。字处理器是主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器、内部定时器，监视扫描时间，统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入输出。位处理器也称从处理器，它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用，加快了PLC的扫描速度，使PLC能较好的满足实时控制要求4.2输入/输出部件输入/输出部件通常亦称I/O单元或I/O模块，PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。通过I/O接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据。同时PLC又通过I/O接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O单元，有各种各样的I/O单元供用户选用。外部设备传感器和执行机构所需的信号电平是多种多样的，而PLC中CPU处理的信息只能是标准电平，所以I/O单元需实现这种转换。I/O单元的主要类型有：数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等。SM321数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。对于现场输入元件，仅需要提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。数字量输入模块SM321有直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入四种型号模块可供选择。SM322数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同又可分为：晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块，没有反极性保护措